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水面自動蒸發監測站

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50000

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環保、水文、水利、水土保持及數字農業信息化領域擁有了多項核心技術

1　概述 JBZF-01型數字水面蒸發計是依據中華人民共和國GB 21327-2007《水面蒸發器》、水利電力部《水面蒸發觀測規范》SD265-88和中國氣象局2003年版《地面氣象觀測規范》相關要求制造，用于自動觀測水面蒸發過程。 JBZF-01型數字水面蒸發計由蒸發桶（池）和數字式水面蒸發傳感器為蒸發量觀測器具，以專用采集控制器采集處理蒸發數據并完成蒸發器自動補排水控制，實現水面蒸發過程的高精度實時在線測量。本儀器的蒸發傳感器采用分辨力為0.1mm的信源數字編碼型傳感器，在高溫、高濕、風浪、沙塵環境下能穩定、可靠地工作。 2.1JBZF-01型數字水面蒸發計的工作原理和結構 JBZF-01型數字水面蒸發計由蒸發桶、水圈、連通管、水位編碼器、浮子、測纜、平衡錘、靜水桶、圓形支板、調水平裝置、自動補排水裝置、采集控制器（以下簡稱采集器）等組成。安裝時將蒸發桶、連通管、靜水桶組成連通器；水位編碼器、采集器、調平衡裝置水平安裝在靜水筒的圓形支板上；浮子、測纜、平衡錘纜分別懸掛在水位編碼器的測輪圓周的兩個凹槽內，浮子安裝在靜水桶內。當蒸發桶中的水面蒸發引起水位下降時，靜水桶中的水面同步下降，浮子即拉動測纜帶動測輪和編碼器旋轉，編碼器即可輸出與水面下降量相對應的編碼數據。采集器通過采集對應時段范圍內的水位變化量，計算出時段水面蒸發量。 2.2 本儀器裝有不銹鋼防風、防塵外罩，靜水桶采用了和蒸發桶同樣的半埋式結構，以盡量保證了靜水桶和蒸發桶中的水溫一致，使傳感器能在惡劣的室外環境下可靠地工作。 2.3 對于JBZF-01型數字水面蒸發計而言，蒸發桶的直徑為Φ612mm，其面積為3000cm2，靜水桶工作區段直徑為Φ240mm，面積為453.27cm2，當蒸發桶中的蒸發量為0.1mm時（即相當于從蒸發桶中取出30ml水時）浮子感測到的水位變化量△h只有0.086896㎜。其中，△h= S1／（S0 + S1） =457.27／（3000+453.27） =0.086896(mm) 式中：S0=3000cm2 S1=πr2 =3.1416×(12cm)2 =453.27cm2 因此，用螺旋測針在本蒸發桶中人工測量的數據與本數字蒸發計測量到的數據相對比時，應將人工測針測量數值除以0.086896才是實際蒸發量。 2.4 JBZF-01型數字水面蒸發計與20平方米蒸發池配套使用時，因為傳感器靜水桶的面積只有蒸發池面積2.4‰，可以基本上不考慮靜水桶與蒸發池之間水體的交換的影響。可以用連通管直接與蒸發池相連接，或者將蒸發傳感器的靜水桶安裝在20平方米的蒸發池中使用（與20m2蒸發池配套使用時，應配套相應直徑的測輪，在訂貨時應加以補充說明）。 2.5 JBZF-01型數字水面蒸發計工作時，當蒸發桶（池）中的水位低到某一預定值時，采集控制器啟動補水裝置予以補水。當有降雨時，當蒸發桶（池）中的水位上升到某一預定高度時，通過采集控制器可以啟動排水裝置予以排水。靜水桶中的水位數值始終可以受到監控。 2.6 使用本蒸發計，只能準確測量非降水時段的水面蒸發量。如欲測量包括降雨期內的日蒸發量，依照國家水文局和國家氣象局的要求，還必須配置分辨力為0.1mm的高精度雨量計〔其測量誤差≤(1～2)%〕等相關裝置才能實現。 3 技術參數 3.1 蒸發量量測分辨力：0.1mm； 3.2 蒸發量量測精度：蒸發量≤10mm，測量誤差：≤±0.3mm；蒸發量＞10mm，測量誤差：≤±(0.3mm+1%F.S))；； 3.3 蒸發量量測范圍：不小于20mm 3.4 輸出接口：RS-485； 3.5 電源電壓：12V/DC（-5%~+25%）； 3.6 環境溫度：0℃~+55℃； 3.7 儲存溫度：-10℃~+60℃。 4 使用注意事項 4.1 儀器設備檢查 4.1.1 按照包裝運輸清單，核對數量及包裝內容，檢查包裝是否有破損和缺漏。 4.2.2 打開包裝箱，按裝箱單核對裝箱物品并檢查儀器的外觀及裝箱零件，有無損傷。 4.1.3 閱讀使用說明書，了解儀器性能、結構、安裝方法和使用、檢定方法。 4.2 搬運 4.2.1 產品搬運時一般應連包裝一起進行。應盡量使用原包裝。 4.2.2 已經拆除包裝的產品，特別是測量傳感器，應當托住圓形支板垂直向上進行搬運和放置，切忌睡倒和顛倒搬運。 4.2.3 安裝過程中，需要打開傳感器的外筒，此時挪動傳感器時同樣應當托住圓形支板進行，切不可拿住傳感器內部零件來回搖動。 4.2.4 傳感器內部極其精密，未做好減震包裝之前，應避免使用顛簸過大的運輸工具運輸。 4.3 儲存和保管 4.3.1 產品儲存時連包裝進行。 4.3.2 產品儲存應當放置在通風干燥的倉庫內，環境溫度和濕度應當遵循技術規范的要求。 4.3.3 已經拆除包裝的儀器設備，或是不在測量季節收回室內保養的儀器設備，應當擱置在距地面60cm以上的架子上。 4.3.4 產品長期儲存時應定期檢查其外觀和功能，并至少每年通電一次，防止意外損壞。 5 安裝和連接 JBZF-01型數字水面蒸發計的安裝立面見圖1。圖1 JBZF-01型數字水面蒸發計立面安裝示意圖 5.1 安裝場地的要求根據“觀測規范”，蒸發計的安裝場地應滿足以下要求： 5.1.1 觀測場一般為25m×25m的平整場地，確因條件限制，也可取16m（東西向）×20m（南北向），高山站、海島站、無人站不受此限。場地內應有良好的排水設施，保證在大暴雨情況下場地內的積水不得高于地面以上5cm。 5.1.2 觀測場四周一般設置約1.2m高的稀疏圍欄，圍欄不宜采用反光太強的材料。觀測場圍欄的門一般開在北面。場地應平整，保持有均勻草層（不長草的地區例外），草高不能超過20厘米。對草層的養護，不能對觀測記錄造成影響。場內不準種植作物。 5.1.3 為保持觀測場地自然狀態，場內鋪設0.3-0.5m寬的小路（不得用瀝青鋪面），人員只準在小路上行走。有積雪時，除小路上的積雪可以清除外，應保護場地積雪的自然狀態。 5.1.4 根據場內儀器布設位置和線纜鋪設需要，在小路下修建電纜溝(管)，電纜溝（管）應做到防水、防鼠，便于維護。 5.1.5 觀測場的防雷設施必須符合氣象行業規定的防雷技術標準的要求。 5.2 觀測場內儀器設施的布置? 觀測場內儀器設施的布置要注意互不影響，便于觀測操作。 5.2.1 高的儀器設施安置在北邊，低的儀器設施安置在南邊； 5.2.2 各儀器設施東西排列成行，南北布設成列，儀器距觀測場邊緣護欄不小于3m； 5.2.3 儀器安置在緊靠東西向小路南面，觀測員應從北面接近儀器。 5.3 設備安裝前的準備工作 5.3.1 按照圖1、圖2尺寸要求挖好觀測場內的管路和電路地溝，應當盡量選擇路邊不種植作物的土地，開挖深大于30cm、寬30cm的溝槽（也可用磚砌電纜溝），電纜用塑料管作保護套管，穿線后測試確保各條線路暢通后填土埋實。溝槽如果必須經過草皮，應當重新鋪好草皮。 5.3.2 要求自來水管路鋪設到觀測場內補水桶處。 5.4 蒸發桶和水圈的安裝 5.4.1 結構 1、蒸發桶是一個具有圓錐底的圓柱桶。用玻璃鋼材料制成。為保證口緣不變形，器口呈里直外斜的刀刃形，整體高為68.7cm。在桶壁開連通管孔和排水孔。 2、水圈是裝置在蒸發桶的，由四個形狀和大小都相同的弧形水槽組成。四個水槽內壁所組成的圓應與蒸發桶外壁相吻合。為保證每個水槽的水位相同，在每個水槽的兩側開孔后用空心銅接頭連接。 3、排水機構：由排水泵和排水管道組成，供降雨時排水用。 5.4.2 蒸發桶的埋設蒸發桶的埋設，可按圖1的尺寸進行。具體要求如下： 1、蒸發桶器口高出地面30.0±0.5cm，并保持水平。埋設時可用水平尺在至少三個不同方向校驗，器口應保持水平。 2、水圈應緊靠蒸發桶，蒸發桶的外壁與水圈內壁的問隙應小于0.5cm。水圈的排水孔底和蒸發桶的溢流孔底，應在同一水平面上。 3、蒸發桶四周設一寬50.0cm(包括防坍墻在內)、高22.5cm的土圈。土圈外層的防塌墻用磚順向平擺干砌而成。在土圈的北面留一小于40.Ocm的觀測缺口。 4、埋設儀器時應力求少擾動原土，坑壁與桶壁的間隙用原土回填搗實。在距蒸發桶1.2m處用磚砌一深50cm的窨井，內部安裝連接蒸發桶和蒸發傳感器的連通管及球閥。 5、連通管及球閥要埋在深度為30cm的溝槽內，球閥安裝在窨井中。 6、排水泵進水口應方向向下，并在進水孔上覆蓋濾網，在蒸發桶壁上和排水管組件連接。排水管的出水口應彎折后向下，出水口高度距地平面為300~350mm。 7、安裝好后需認真檢查所有接點，不能有滲漏水現象，待傳感器工作正常后，再檢查所有接點無漏水時將溝槽填平、壓實。 5.5 蒸發傳感器靜水桶的安裝 JBZF-01數字水面蒸發計靜水桶的埋設，可按圖1的尺寸進行。具體要求如下： 1、靜水桶口高出地面28.0±0.5cm，并保持水平。埋設時可用水平尺檢驗。 2、靜水桶四周設一直徑100.0cm(包括防坍墻在內)、高22.5cm的土圈。土圈外層的防塌墻用磚順向平擺干砌而成。 3、埋設靜水桶時應力求少擾動原土，坑壁與桶壁的間隙用原土回填搗實。桶壁連接的連通管和在距蒸發筒1.2m米處的窨井內的球閥接通，使能連接蒸發桶的連通管。 4、安裝好后需認真仔細的檢查所有水路連接處，不能有滲漏水現象，待傳感器工作正常后，再檢查所有接點無漏水時將溝槽填平、壓實。 5.6 自動補水裝置的安裝 5.6.1 參考圖2和圖3所示設備安裝固定尺寸要求，開挖好淺坑。 5.6.2 把補水桶放入淺坑中，將補水泵和補水管用接頭連接妥當后，用原土填實。 5.6.3 接上手動閥并連接外部供水管道，蓋上補水桶蓋。 5.7 傳感器的安裝 JBZF-01型數字水面蒸發計的傳感器部括水位編碼器、浮子、測纜、平衡錘、圓形支板、調水平裝置。采集控制器安裝在圓形支板上。 5.7.1 將傳感器部分從包裝箱取出后，先拆下圓桶形外罩下部的3顆固定螺釘，垂直向上取下外罩，將底部浮子的包裝固定物拆除。 5.7.2 手托住浮子搬起傳感器部分，置于靜水桶上方，將浮子輕輕放入靜水桶內，放下傳感器部分。 5.7.3 調整圓形支板上的3顆調平螺釘，并觀察圓形支板上的水平泡，當水平泡內的氣泡處于中心位置時，將圓形支板上的3顆固定螺釘和靜水桶固定。 5.7.4 將浮子測纜懸掛于測輪靠近編碼器的凹槽內，當浮子測纜靜止時應位于圓形支板的過線孔的中心，不應蹭到孔邊沿。 5.7.5 將平衡錘纜懸掛于測輪遠離編碼器的凹槽內。 5.8 水路連接和電路連接 5.8.1 蒸發傳感器和蒸發桶的水路連接蒸發傳感器的靜水桶和蒸發桶的水路連接使用Ф32毫米PPR管材、φ25環節軟管和接頭。在窨井位置安裝手動閥門。連通管路中不允許有氣泡殘留。 5.8.2 蒸發傳感器和補水桶的水路連接蒸發傳感器和補水桶的水路連接使用12/16規格的鋁塑管和相應接頭直接連接。在蒸發桶和水圈接合部位，再安裝分流器（三通），使得補水桶能同時向蒸發桶和水圈補水。 5.8.3電路連接自動補水裝置的補水桶下方有補水水泵，蒸發桶內有排水水泵，分別用截面積不小于0.5mm2 的2芯電纜從接線端子處連接至蒸發傳感器內的采集控制盒，接線方式如圖5所示。（注意：補、排水泵的連線電阻值均不得大于1Ω）。所有外引線整理整齊后從圓形支板的缺口處引出。 6 使用前的檢查準備和初始狀態設定 6.1 運行前的檢查和準備 6.1.1 各設備運行調整前檢查各手動閥和電動泵應全部為關閉狀態。 6.1.2 所有設備的水路和電路連接完成后，應當仔細檢查各水管接頭是否有滲漏水現象，仔細核對電器接線的正確性。 6.1.3 檢查供電電源的情況，應當符合12V/DC（-5%~+25%）的要求，當補水泵、排水泵工作時電源電壓應不低于10.2V。圖5 接線端子接線圖 6.2 設備初始狀態的設定及調整 6.2.1 補水桶加水開啟自來水閥門，補水桶應自動加水至浮球限定的水位高度。 6.2.2 蒸發桶和蒸發傳感器人工加水打開窨井中的手動閥，使之處于全開狀態，使蒸發桶與蒸發傳感器靜水桶形成連通器，這時蒸發桶中的水能夠自動流入蒸發傳感器靜水桶，按照采集控制器說明啟動補水水泵DF1，給蒸發桶、水圈和蒸發傳感器補水，直至蒸發桶中水位至水位標志線高度，然后關閉DF1。 6.2.3 蒸發傳感器起算點的調整在蒸發桶水位處于水位標志線時，采集控制器（或計算機）顯示屏幕上觀測到的蒸發傳感器輸出值，就是起算點高度，應為300±50。如果顯示值超出范圍應改變浮子測纜的長度。重新固定浮子測纜，使傳感器輸出值在規定范圍之內。注意：由于蒸發桶內的水位上升或下降的變化和蒸發量大或小的表示正好相反，因此蒸發傳感器中浮子下降代表了蒸發量增加，而有降雨時，蒸發桶內水位上升，浮子也上升，此時編碼器數值反而減小。 7 采集控制器的系統運行 7.1 特點 JBZF-01型數字水面蒸發計的采集控制器采用超低功耗16位MCU設計而成，可以實現蒸發量的自動采集、控制和數據上傳，采用中文液晶顯示，具有良好的人機接口性能。 7.2 技術參數和性能詳解 7.2.1 RS485輸入接口：該控制器和蒸發傳感器通過RS485口連接，通過RS485口讀取蒸發傳感器數值。 7.2.2 RS485輸出接口：該控制器具有一路RS485輸出接口，可以將數據上傳到中心站。 7.2.3 補水泵控制口：控制補水桶補水泵打開和關斷。 7.2.4 排水泵控制口：控制溢流桶排水泵打開和關斷。 7.2.5 顯示方式：中文液晶顯示。 7.3 端口接線圖 7.4 操作使用說明 7.4.1 設備使用應在各電纜連接完畢并檢查正確之后進行。 7.4.2 系統沒有總電源開關，連接12V電源（穩壓電源或蓄電池）就相當于給全部設備通電。 7.4.3 通過采集控制器面板的LCM顯示器可以了解蒸發計水位和系統工作狀態。 7.4.4 設備通電時裝置開始自檢： ① 檢測水面蒸發檢測傳感器是否工作正常，若不正常則報警并再次查找和檢測； ② 當系統自檢完成后，采集控制器面板的LCM顯示器顯示蒸發計水位數據以及系統日期和時間； ③ 采集控制器每2秒檢測一次蒸發計水位并在采集控制器面板的LCM顯示器上顯示。 7.4.5 正常工作時LCM顯示器上顯示四行數據，由上向下依次為：電源電壓（分辨率0.1V,準確度±0.5V）；實時水位（相對值，分辨率0.1mm）；穩定水位（相對值，分辨率0.1mm）；日期、時間。 7.4.6 當蒸發計水位值大于400時，采集控制器啟動自動補水，補水至水位值大約300時停止。 7.4.7 當蒸發計水位值小于200時，采集控制器啟動自動排水，排水至水位值大約300時停止。 7.4.8 在采集控制器進行補水或者排水操作時，面板上的LCM顯示器顯示相應信息，直至操作完畢后再次進入休眠節電狀態。 7.4.9 上位計算機隨時可以讀取采集控制器內部的各種信息。 7.4.10 利用采集控制器面板的四個按鍵可以查看部分數據和操作各個水泵： ①按一次面板按鍵，LCM顯示器顯示設備信息和日期、時間， ②再次按下面板右邊的“選擇”按鍵，LCM顯示器顯示電源電壓、實時水位、穩定水位等， ③此時按下“A”按鍵可以啟動補水，按下“B”按鍵可以啟動排水，按下“C”按鍵可以停止水泵。 ④按下“選擇”鍵或5秒之內無鍵按下，水泵自動停止， ⑤反復按下面板右邊的“選擇”按鍵，則LCM顯示器在上述功能之間循環， ⑥6秒之內無鍵按下，自動進入休眠， ⑦按鍵操作應緩慢，兩次按鍵操作之間應間隔0.5～1秒。 7.5 注意事項 7.5.1 請確認潛水泵正、負極沒有接反。 7.5.2 如控制器發生故障，請斷電重啟。 8 準確度現場檢定 JBZF-01型數字水面蒸發計準確度的現場檢定采用定量汲水法。其方法為：從蒸發桶（池）中汲取定量的水與蒸發計輸出顯示值相對比。 8.1 檢定準備 8.1.1 向蒸發桶內加水至水位標志線，檢查所有設備水路連接處均無滲漏水現象。 8.1.2 接通電源，將編碼器顯示水位值調整在300±50之內，并關閉自動補、排水程序。 8.1.3 從蒸發桶內汲取約100ml～200ml的水，觀察顯示裝置顯示水位值是否正常變化，然后依該顯示值作為起始點進行準確度檢定。 8.2 測試步驟從蒸發桶（池）向外汲水，每次汲水量為1000ml，待顯示數值穩定后，記錄各次的顯示值。上述汲水操作次數共為6次，全部汲水步驟結束后，按表1的記錄數值進行測量誤差的統計計算。表1　測量誤差計算表測次每次汲水量 ml 累積汲水量 ml 標準值 mm 顯示值 mm 實測值 mm 測量誤差 mm 1 1000 1000 3.33 2 2000 6.67 3 3000 10.00 4 4000 13.30 5 5000 16.67 6 6000 20.00 注：1. 實測值＝儀表顯示值－起算值。 2. 測量誤差＝標準值－實測值。 3．準確度＝（測量誤差÷標準值）×100%。 4．蒸發量≤10mm時，測量誤差≤±0.3mm；蒸發量＞10mm時，測量誤差≤±3%。 9 維護和檢查 9.1 日常檢查 9.1.1 使用期內每天應巡視一遍儀器設備，檢查有無異樣。 9.1.2 每年對傳感器靜水桶進行一次清理，排除污垢并重新安裝傳感器和初始狀態設定。 9.1.3 遇到設備報警要及時處理。 9.2 定期維護和檢查 9.2.1 每年使用季節開始前應進行一次檢定工作，檢查儀器的工作精度，檢定方法可參看第8章。 9.2.2 按照《水面蒸發觀測規范》要求，定時清理蒸發桶。 9.2.3 每年使用季節結束后，應當將蒸發傳感器搬回室內保養，清洗靜水桶，然后放在符合條件的室內存放。次年重新安裝傳感器時應當重新進行初始狀態設定。 9.3 部件更換 9.3.1 如遇部件損壞需更換時，應當由了解該設備原理的工程師進行，更換新部件后，如果可能影響儀器性能，應當重新標定后投入使用。 9.3.2 保修期內非人為因素的部件損壞，廠家將免費提供部件更換。

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